Isotope

Wasserstoff in der Sonne, Kohlenstoff im Körper und Sauerstoff im Wasser kommen nicht nur mit jeweils einer einzigen Masse vor. Atome eines Elements können dieselbe Protonenzahl, aber unterschiedliche Neutronenzahlen besitzen. Solche Atome heißen Isotope.

OpenStax definiert Isotope im Abschnitt Atomic Structure and Symbolism als Atome desselben Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber verschiedenen Massenzahlen.

Auch der Isotopeneintrag im IUPAC Gold Book hält fest: Die Ordnungszahl bleibt gleich, die Massenzahl unterscheidet sich.

Das Muster lässt sich knapp notieren:

Das Symbol $Z$ bezeichnet die Ordnungszahl und damit die Protonenzahl. $A$ ist die Massenzahl, also die Summe aus Protonen und Neutronen. Gleiches $Z$ bedeutet dasselbe Element. Eine andere Neutronenzahl $n^0$ verändert dagegen die Massenzahl.

Isotope sind also Massenversionen desselben Elements, keine neuen Elemente. Der Schlüssel bleibt die Protonenzahl. Neutronen verändern nur die Massenzahl.

Isotope im interaktiven Vergleich

Wähle unten ein Isotop. Prüfe zuerst die unveränderte Protonenzahl und vergleiche danach die Neutronenzahlen.

Drei wichtige Wasserstoffisotope

Alle Wasserstoffisotope besitzen $1$ Proton. Weil ihre Protonenzahl $1$ beträgt, bleiben sie Wasserstoff. Unterscheiden lassen sie sich anhand ihrer Neutronenzahl.

Deuterium wird manchmal als $\mathrm{D}$ geschrieben, und Tritium wird manchmal als $\mathrm{T}$ geschrieben. Diese Abkürzungen bedeuten keine neuen Elemente. Deuterium und Tritium sind immer noch Wasserstoff, weil ihre Protonenzahl immer noch $1$ beträgt.

Kohlenstoff zeigt die Rolle der Neutronen

Kohlenstoff hat immer $6$ Protonen. In ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$, ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ und ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ erhöht sich die Neutronenzahl.

${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ und ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ sind stabil. ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ ist radioaktiv und kommt deshalb nur in sehr kleinen Mengen vor. Weil ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ mit der Zeit zerfällt, lässt sich damit das Alter ehemals lebender Materialien wie Holz oder Knochen abschätzen.

Isotope nicht mit Ionen verwechseln

Bei Ionen und Isotopen ändert sich jeweils eine Teilchenzahl. Entscheidend ist, welche:

So ist $\mathrm{C}^{2-}$ ein Kohlenstoffion, weil sich seine Elektronenzahl verändert hat. ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ ist dagegen ein Kohlenstoffisotop, weil seine Neutronenzahl von derjenigen in ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ abweicht.

Wenn das Atom neutral ist, sind Elektronen immer noch gleich Protonen:

Ein neutrales ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$-Atom besitzt also $6$ Protonen, $6$ Elektronen und $8$ Neutronen.

Verwendung von Isotopen

Isotope sind nicht nur Tabellenwerte. Ihre unterschiedlichen Neutronenzahlen machen manche von ihnen für Forschung, Energiegewinnung oder Altersbestimmung nutzbar.

Deuterium und Tritium, zwei Wasserstoffisotope, spielen in der Kernfusionsforschung eine wichtige Rolle. Das US-Energieministerium erläutert dieses Isotopenpaar im Beitrag Deuterium-Tritium Fusion Fuel.

${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ dient bei der Radiokarbondatierung dazu, das Alter ehemals lebender Materialien abzuschätzen. Die University of Chicago erklärt, dass die Datierung mit ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ organische Materialien bis zu einem Alter von ungefähr $60\,000$ Jahren erfassen kann. Die Einzelheiten stehen im Beitrag What is carbon-14 dating?.

Jede Anwendung muss die Stabilität des Isotops berücksichtigen, also die Frage, ob sein Kern zerfällt. Radioaktive Isotope wie Tritium und ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ gehören nicht in einfache Unterrichtsexperimente. Ihr Umgang verlangt fachgerechte Sicherheitsmaßnahmen.

Von Isotopen zur durchschnittlichen Atommasse

Die relative Atommasse im Periodensystem ist häufig eine Dezimalzahl. Sie ist nicht die Massenzahl eines einzelnen Isotops. Ihr Wert wird aus den Isotopenmassen und der Isotopenzusammensetzung des dargestellten Materials abgeleitet.

NIST bezeichnet die tabellierten Anteile als repräsentative Isotopenzusammensetzung für Stoffe, die häufig im Labor vorkommen. Die NIST-Spaltenhinweise erklären außerdem, dass die Zusammensetzung von Herkunft und Behandlung eines Materials abhängt. Die folgenden Anteile sind daher Referenzwerte und keine universelle Zusammensetzung jeder natürlichen Probe.

Kohlenstoff ist ein einfaches Beispiel:

Da ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ das am häufigsten vorkommende Kohlenstoffisotop ist, liegt die relative Atommasse von Kohlenstoff im Periodensystem nahe bei $12$, aber nicht genau bei $12$.

Unterscheidung von Isotopen anhand der Atom- und Massenzahlen

Drei Fragen führen sicher durch jedes Isotopensymbol:

• Wie viele Protonen gibt es?
• Was ist die Massenzahl?
• Wie viele Neutronen kommen von $A - Z$?

Für ${}^{92}_{40}\mathrm{Zr}$:

${}^{92}_{40}\mathrm{Zr}$ besitzt also $52$ Neutronen. Dieses Vorgehen ist verlässlicher als das Auswendiglernen von Tabellen, weil es für jedes Isotop mit bekannter Ordnungs- und Massenzahl funktioniert.